纳米复合的门饰面层，和相关的门组件与方法.pdf

提供为构造门组件而采用的门表层，该门表层具体为具有内部和外部相对表面的矩形实心片材。该实心片材含有聚合物材料和纳米组分。还提供门组件和相关方法。

1.  适用于构造门组件的门表层，它包括：
具有内部和外部相对表面的矩形实心片材，该实心片材包括聚合物材料和纳米组分。

2.  权利要求1的门表层，其中聚合物材料包括不饱和聚酯与可共固化的不饱和单体的反应产物。

3.  权利要求1或2的门表层，其中所述片状模塑料包括至少约10％重量的短切玻璃纤维。

4.  权利要求1-3任何一项的门表层，其中该片材进一步包括碳酸钙填料和过氧化物催化剂。

5.  权利要求1-4任何一项的门表层，其中片材进一步包括低收缩添加剂。

6.  权利要求1-5任何一项的门表层，其中外表面包括模拟门面板的轮廓(contoured)部分。

7.  权利要求1-6任何一项的门表层，其中所述外表面具有木材纹理结构(wood grain texture)。

8.  权利要求1-7任何一项的门表层，其中纳米组分包括夹层的改性粘土矿物。

9.  权利要求8的门表层，其中夹层的改性粘土矿物包括蒙脱土。

10.  权利要求9的门表层，其中夹层的改性粘土矿物进一步包括季铵盐作为改性剂。

11.  一种门组件，它包括：
具有相对的第一侧和第二侧的框架；
固定到框架的第一侧上的第一门表层，第一门表层包括权利要求1的门表层，所述权利要求1的门表层包括具有第一和第二相对表面的矩形实心片材，该实心片材包括聚合物材料和纳米组分；和
固定到框架的第二侧上的第二门表层。

12.  权利要求11的门组件，其中聚合物材料包括不饱和聚酯与可共固化的不饱和单体的反应产物。

13.  权利要求11或12的门组件，其中所述片状模塑料包括至少约10％重量的短切玻璃纤维。

14.  权利要求11-13任何一项的门组件，其中实心片材进一步包括碳酸钙填料和过氧化物催化剂。

15.  权利要求11-14任何一项的门组件，其中实心片材进一步包括低收缩添加剂。

16.  权利要求11-15任何一项的门组件，其中外表面包括模拟门面板的轮廓部分。

17.  权利要求11-16任何一项的门组件，其中所述外表面具有木材纹理结构。

18.  权利要求11-17任何一项的门组件，其中纳米组分包括夹层的改性粘土矿物。

19.  权利要求18的门组件，其中夹层的改性粘土矿物包括蒙脱土。

20.  权利要求19的门组件，其中夹层的改性粘土矿物进一步包括季铵盐作为改性剂。

21.  形成门表层的方法，该方法包括：
提供具有确定模腔的第一和第二模头的压模；
把含聚合物材料和纳米组分的SMC料层放到压模内；
密闭压模，和使聚合物材料在压力下固化，构造门表层；和
硬化门表层，并从压模中取出。

22.  形成门组件的方法，该方法包括：
提供具有确定模腔的第一和第二模头的压模；
把含聚合物材料和纳米组分的SMC料层放到压模内；
密闭压模，和使聚合物材料在压力下固化构造门表层；
从压模中取出门表层；和
固定门表层到门框上。

纳米复合的门饰面层，和相关的门组件与方法
相关申请的交叉参考
[0001]根据35　U.S.C.§119(e)，本申请要求2006年7月21日提交的美国临时申请No.60/832126的优先权，其全部公开内容在此通过参考全文引入。
发明领域
[0002]本发明涉及门的饰面层，其特征在于至少一个门饰面层的门组件，和制备门饰面层与门组件的方法。
发明背景
[0003]越来越多地由含塑料材料的复合组件制备门。典型的门组件包括一对压塑的外部表层，所述外部表层常常在其外表面上具有木材纹理图案。门的表层安装在矩形框上，所述矩形框以彼此隔开的关系分开并支持表层。在表层之间的中空的空间用绝缘结构，例如纸板、纸张、纤维板和泡沫，例如聚氨酯填充。
[0004]与天然和钢门相比，复合门组件提供数个优点。复合门组件抗分别与实心木门和金属门有关的腐败和腐蚀。与实心木门和金属门相比，复合门组件通常还是较好的绝缘体。由于材料成本和制造效率导致聚合物复合门组件显著不如制备实心木门昂贵且可被设计为提供木材纹理门的合理模仿(facsimile)。
[0005]在制备可获得的模塑门-表层中使用的典型模塑方法牵涉在下部半模内放置预定重量的含聚合物材料和玻璃纤维增强剂的片状模塑料(SMC)料层(charge layer)。然后向前移动上部半模，与下部半模啮合，在压缩过程中强制SMC材料填充并贴合模具的形状。加热这两个半模到约150℃，加速流动和固化热固反应。一旦硬化，则从模塑压机中取出模塑的门表层。通常模具的模头具有压印凹陷、沟槽、图案、纹理和类似物到模塑的门表层内的轮廓和压花特征。常常作为模拟一个或更多个模拟面板四周的一个或更多个正方形或矩形凹陷来构造压印的特征。
[0006]典型地，片状模塑料含有热固性树脂体系，例如不饱和聚酯树脂(UPR)和不饱和可共固化的反应性单体，例如苯乙烯(St)。片状模塑料还含有增强剂，例如玻璃纤维，它们常常以1英寸(2.54cm)和半英寸(1.27cm)短切玻璃纤维和/或薄纤维垫形式呈现。常常与片状模塑料结合的添加剂包括催化剂、活化剂、增稠剂、稳定剂和惰性填料，例如碳酸钙、滑石和木材颗粒。
[0007]在常规的压塑木表层中发现的SMC组合物遇到的问题涉及模塑工艺伴随的收缩。发现常规的SMC组合物经历的聚合收缩程度高，估计在一些情况下为约7-10％。收缩可在制造中引起严重的表面质量和尺寸控制问题。
[0008]提供解决与常规的SMC组合物有关的收缩问题的手段。一种提出的解决手段牵涉作为低收缩添加剂(low profileadditive)(LPA)添加热塑性聚合物到SMC组合物中。然而，添加大量的低收缩添加剂会增加制备门表层的材料成本。另外，已发现，添加相对大量的低收缩添加剂会牺牲机械性能，例如拉伸强度和抗冲击性。此外，许多低收缩添加剂在低温工艺，例如树脂传递模塑、SeemannComposite Resin Infusion模塑工艺(SCRIMP)和手动铺设/喷发(spray up)中没有很好地起作用。
[0009]在一些常规的压塑门表层中发现的SMC组合物遇到的另一问题涉及它们缺少尺寸稳定性，这在季节变化时遇到的温度和湿度变化的应答中，或者当在与玻璃防风暴门结合使用时可引起门表层收缩和膨胀。例如，作为对直接阳光暴露的应答，在防风暴门之后的门饰面层的表面温度可达到超过82℃(180℉)的温度。作为对直接阳光暴露的应答，在全景(full view)防风暴门之后的深色油漆的门的表面温度可达到116℃(240℉)。另一方面，门的内表面为室温，因此在横跨门的厚度上可存在显著的温差。对这种温度变化的应答结果是，过大的尺寸不稳定性可引起门弯曲或者门表层从周围的框架上脱层。
还发现，常规的门表层的尺寸不稳定性可负面影响门表层的外表面的光滑度和可油漆性。在一些情况下，取决于尺寸不稳定性和环境条件，门表层的表面纹理和/或油漆面层可被如此弄脏，结果对于一些消费者来说在美学上是无法接受的。
发明概述
[0011]根据本发明的第一方面，提供为构造门组件而采用的门饰面层。门饰面层的特征为具有第一和第二相对表面的矩形实心片材。实心片材包括聚合物材料和纳米组分。
[0012]根据本发明的第二方面，提供门组件，其特征为框架和第一与第二门表层固定到框架的相对侧上。含矩形实心片材的至少一个门表层具有内和外表面。实心片材包括聚合物材料和纳米组分。
[0013]根据本发明的第三方面提供形成门表层的方法，该方法包括提供具有确定模腔的第一和第二模头的压模，把含聚合物材料和纳米组分的SMC料层放到压模内，至少部分密闭压模，使聚合物材料在压力下成形，构造门表层，和从压模中取出门表层。
[0014]本发明的第四方面提供制备门组件的方法。根据这一方法，特征为具有内和外表面的矩形实心片材的门表层固定到框架上。该片材包括聚合物材料和分散在该聚合物材料内的纳米组分。具有相同或不同特征的第二门饰面层固定到框架的相对侧上。
[0015]本发明的其他方面包括在以下的实施方案内，包括门表层，门组件，特征在于门组件的建筑结构框架，及其制备与使用方法。
附图的简要说明
[0016]引入附图且它构成了说明书的一部分。附图与以上给出的一般说明和以下给出的优选实施方案和方法的详细说明一起起到解释本发明原理的作用。在这些附图中：
[0017]图1是根据本发明的双面板门的实施方案的提升的正视图；和
[0018]图2是沿着图1的线II-II获取的剖视图。
本发明的优选实施方案和优选方法的详细说明
[0019]现详细地参考在附图中所示的本发明的优选实施方案和方法，其中在全部附图中相同的参考特征表示相同和相应的部件。然而，应当理解，在较宽的方面上，本发明不限于在这一部分中结合优选实施方案和方法示出并描述的具体的细节、示意的装置和方法，和例举的实施例。
[0020]更特别地参考例举的实施方案。图1描绘了一般地用参考标记10表示的本发明实施方案的门。门10可以是建筑物，例如住宅和商业性质的建筑物的外部入口门和内部过道门。表征此处所述的门10的实施方案的机械性能使得它尤其适合于用作防风门或与防风门结合使用。外部和过道门典型地具有约6英尺8英寸到约9英尺，更通常约8英尺的高度，和约3-4英尺的宽度，其中对于许多过道门来说，3英尺6英寸是标准的宽度。门10的其他用途包括家具(例如，橱柜、桌子)抽屉、家具门，和储藏室门。尽管在附图中没有示出，但门10可包括五金器具，例如把手、球形捏手和其他抓握的机构，以及有或无锁定机构。门10可进一步包括用于其打算用途的合适安装的五金器具，例如安装门10到墙壁结构(例如，建筑物墙壁结构)的折叶或允许门10滑动运动的导轨。尽管此处所述的实施方案主要涉及门，但应当理解公开的发明可应用于其他复合装饰面板上。
[0021]门10包括彼此平行的正面和背面门表层12和14(此处和在本领域中也称为门饰面层)。可设计门表层12、14之一或二者包括本发明的创造性的门表层。表层12具有通过四周束缚的基本上平面的内部和外部表面。同样，表层14具有基本上平面的内部和外部表面。表层12、14可具有光滑或具有纹理(textured)的外表面，或其结合。纹理可模拟木纹或其他设计。表层12、14的颜色优选为木材色调的颜色，但也可使用任何基本颜色。可施加色料、油漆或其他染料到表层12、14上，因为它们可印刷油墨颗粒(grain)设计和类似物。或者，可在门表层12、14的外表面上印刷图象，正如在美国专利No.7001016中所述。表层12、14的美学外观和触感可基本上相同或彼此不同。可任选地密封门表层12、14的外表面。任选地，胶合板可粘结到外表面上，以提供所需的外观(例如，天然木材的颜色、纹理和/和镶嵌的图案)。
[0022]如图1和2所示，描绘了门表层12、14作为模拟的多面板门表面。所示的实施方案含有分别确定并包围两个面板20、22的两个模塑的等高区域16、18。可模塑或多或少数量的面板。面板20、22优选彼此共平面。每一个等高区域16、18完全被基本上平面的主表面部分24包围，结果等高区域16、18与分别具有面板24的互连主表面部分24一体。任选地，面板20、22分别在与主表面20、22相同的平面内。尽管示出了具有相同的多面板设计的表层12、14，但应当理解，表层12、14可具有彼此不同的设计和/或可不具有等高线和面板形状的设计。
[0023]将门表层12、14固定到周围框架和内部支持结构28的相对侧上。机械紧固件和粘结粘合剂可用于固定。典型地，一对平行的侧面元件(称为门梃)确立门框架28的相对侧边缘。一对平行的端部元件(称为横挡)确立门框架28的顶部和底部边缘。框架元件可由天然木材、人造木材或任何其他合适的材料制成。
[0024]门组件10还任选地包括在表层12、14之间布置的芯组件。芯组件可包括由任何合适的聚合物材料形成的泡沫体，其中所述聚合物材料可在表层12、14之间注入并原位形成，或者可预成形，然后置于门表层12、14之间并被框架28包围。可使用的其他非泡沫体材料包括例如波纹垫和其他绝缘材料。应当注意，门表层12、14可粘结到芯上。任选地，可在没有芯的情况下生产门组件10，例如在表层12、14之间维持中空的区域。
[0025]门表层12、14可由各种树脂体系和与本发明相容的添加剂，其中包括在制门工业中常用的那些材料制成。根据优选的实施方案，门表层12、14由热固性树脂，优选片状模塑料(SMC)或本体模塑料(BMC)组合物制成。热固性组合物优选包括不饱和聚酯树脂与不饱和的可共固化的交联单体，例如对聚酯具有反应性的苯乙烯。典型地，热活化的催化剂包括在该组合物内。合适的热固性树脂的另一实例是聚氨酯树脂，例如聚氨酯片状模塑料，所述聚氨酯片状模塑料可包括例如聚氨酯聚合物或预聚物，交联剂和/或交联试剂，例如二异氰酸酯或多异氰酸酯，和催化剂。可另外或者作为不饱和聚酯的替代物，使用其他热固性和热塑性树脂体系，例如酚树脂、乙烯酯树脂和环氧树脂。另外，也可包括各种烯烃均聚物、共聚物，和三元共聚物，例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈(ASA)，和其他。不饱和聚酯树脂可包括一种或更多种二元醇和一种或更多种不饱和多羧酸的缩聚反应产物。
[0026]可在本发明的组合物和方法中使用而选择的纳米组分包括无机粘土，例如蒙脱土、蛭石、伊利石矿物，例如伊利石，层状双重(double)氢氧化物或混合金属氢氧化物，和其他。无机粘土，例如蒙脱土优选具有高度各向异性、常常拥有数量级为约1埃-约50埃，例如约10埃(1nm)小片厚度的结晶层。没有特别限定纳米组分的侧面尺寸，但通常有利地在约30nm-约10微米范围内。可在美国专利Nos.6849680和5780376中找到纳米组分及其制备方法的进一步的说明，在此通过参考将其引入。
[0027]无机粘土和一些其他的纳米组分在性质上为亲水的，但可被有机改性以便与有机聚合物基体相容。优选地，改性牵涉粘土矿物小片的夹层。可通过离子交换，使用例如阳离子，例如铵阳离子(例如，烷基铵阳离子)之类的阳离子，或引起多层或者层状颗粒脱层或溶胀的反应性有机基硅烷化合物，使小片夹层。
[0028]离子交换技术可牵涉首先用水或一些其他极性溶剂“溶胀”粘土，然后用夹层剂处理粘土。夹层剂的功能是增加无机粘土各层之间的“d-间距”。然后分离亲有机的粘土并干燥。
[0029]或者，可用有助于夹层的单体或树脂，和夹层剂(例如季铵盐)处理纳米组分。处理纳米组分的单体和树脂的实例包括丙烯酸单体、苯乙烯、乙烯基单体、异氰酸酯、聚酰胺、多胺、酚树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂、多官能的胺，和不饱和聚酯树脂。可选择夹层剂，与树脂的结构相匹配且具有对该树脂具有反应性的官能团。
[0030]夹层剂的用量范围可以是粘土重量的5-50％，这取决于所需性能。较大比例的夹层剂会改进粘土的分散，分散性的改进可改进机械性能而且增加粘度。在美国专利No.6974848中可找到夹层剂的讨论，在此通过参考引入关于无机粘土、夹层技术和夹层剂的公开内容作为参考。
[0031]用季盐改性的含蒙脱土的商业产品包括 10、 20、 15A、 25A、 30B、 93A和 Na⁺，它们各自在季盐内包括至少一种氢化牛油或牛油部分。产品商购于Southern Clay productsof Gonzales，Texas，Rockwood Specialties，Inc.的一个子公司。
[0032]该组合物可包括额外的组分，例如低收缩和低收缩添加剂、有机引发剂(例如，过苯甲酸叔丁酯)、增稠剂(例如，镁、钙和铝的氧化物、氢氧化物，和醇盐)，稳定剂或抑制剂，填料，增强剂和其他添加剂。
[0033]低收缩添加剂定义为极性相对低的热塑性聚合物材料，认为这些材料有助于在片状模塑料内形成微孔隙。认为低收缩添加剂与不饱和聚酯树脂体系至少部分不混溶，以便通过形成多相聚合物体系来实现含低收缩添加剂的片状模塑料的压塑和凝固。低收缩添加剂的实例包括热塑性聚合物，例如不饱和聚酯、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯和它们的共聚物与三元共聚物。也可包括本领域已知的其他低收缩添加剂。认为纳米组分会改进低收缩添加剂的有效性，且可降低或消除对低收缩添加剂的需求。
[0034]填料和增强剂可具有各种目的，其中包括增量树脂，改进模塑料流动，和/或赋予成品所需的特征和机械性能。填料的实例包括碳酸钙、粘土、石墨、碳酸镁、滑石和云母。增强剂的实例包括玻璃纤维、石墨、芳族聚酰胺纤维和纤维素材料，例如木纤维、锯屑、稻草等。在许多商业片状模塑料中常常发现玻璃纤维，且常常以1英寸和半英寸的短切玻璃纤维形式呈现。填料和增强剂材料可具有各种物理形状，例如纤维、微球，或者一种或更多种垫子。可使用的其他添加剂包括例如脱模剂、保存期(shelf)抑制剂、润湿剂、均化剂、UV延迟剂、颜料、阻燃剂、脱模剂和/或增稠剂。
[0035]SMC组合物可以体现为由约15-约25wt％的热固性树脂体系，约10-约20wt％的低收缩添加剂，约1-约5wt％的纳米组分，和约13-约20wt％的增强剂，和约30-约50wt％的填料，和任选地其他成分构成。可在这些范围以内和以外调节浓度以保证获得所需的性能。在下表中列出了例举的组合物。
表格